 |
Μορφές συμπίεσης δεδομένων
Πως να επιλέξω φόρμα συμπίεσης
|
Φόρμες Συμπίεσης
JPEG
To JPEG ή JFIF είναι ένα πρότυπο απωλεστικής συμπίεσης εικόνων.
Δημιουργήθηκε από την ομάδα Joint Photographic Experts Group-JPEG από την οποία πήρε και το όνομα. Λόγω του μικρού μεγέθους αρχείου που μπορεί να προκύψει με αυτή τη μέθοδο συμπίεσης, χρησιμοποιείται κυρίως σε ιστοσελίδες (οπώς και το GIF) και σε φωτογραφικές μηχανές: σε υψηλές αναλύσεις μία εικόνα η οποία δεν έχει συμπιεστεί μπορεί να χρησιμοποιεί ε ως και 100ΜΒ χώρου ενώ σε μορφή JPEG χρησιμοποιεί περίπου 3ΜΒ). Οι επεκτάσεις αρχείου που έχουν περιεχόμενο JPEG ειναί .jpg .jpeg .jif jpe jfif.
Ιστορικά στοιχεία
Μια ασυμπίεστη ψηφιογραφική εικόνα (Bitmap) μπορεί να έχει, ανάλογα με την ανάλυση της, πολύ μεγάλο μέγεθος. Για παράδειγμα, μια εικόνα σε ανάλυση 1024x768 έχει μέγεθος 2,25MB, καταλαμβάνοντας αντίστοιχο χώρο σε ένα μέσο αποθήκευσης, όπως σε ένα σκληρό δίσκο ή μια κάρτα μνήμης, ή απαιτώντας μεγάλο χρόνο προκειμένου να μεταφορτωθεί από ένα χρήστη του Διαδικτύου με αργή σύνδεση.
Το μέγεθος έπρεπε να μειωθεί χωρίς ιδιαίτερη απώλεια ποιότητας.
Έτσι, ήταν απαραίτητο να δημιουργηθεί κάποιο πρότυπο για την συμπίεση των εικόνων.
Την δημιουργία αυτού του προτύπου ανέλαβε η ομάδα JPEG.
Η ομάδα δημιουργήθηκε το 1986 και το πρότυπο το 1992.
Το πρότυπο αυτό ονομάστηκε, επίσημα, ISO 10918-1 το 1994.
Απωλεστική Συμπίεση-Ατέλειες
Λόγω του ότι το JPEG αφορά απωλεστική συμπίεση, εμφανίζονται ατέλειες στην εικόνα. Ανάλογα με το επίπεδο συμπίεσης που θα επιλεγεί (0 έως 100) αυξάνεται ή μειώνεται η ποιότητα της εικόνας μαζί με το μέγεθος του αρχείου. Υπάρχουν διαφόρων ειδών ατέλειες στην εικόνα JPEG. Μια ατέλεια είναι ο χωρισμός της εικόνας σε τετράγωνα 8x8 πίξελ. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται "macroblocking". Άλλες ατέλειες είναι η χρωματική παραμόρφωση, η παραμόρφωση των άκρων της εικόνας και η ανομοιομορφία των χρωμάτων (τα χρώματα δεν είναι συμπαγή και αναμειγνύονται στις άκρες του αντικειμένου που απεικονίζεται).
Ωστόσο, οι απώλειες αυτές δεν είναι, τις περισσότερες φορές, ορατές, εφόσον η απεικόνιση γίνεται σε οθόνη υπολογιστή. Αρχίζουν να εμφανίζονται όταν ο λόγος συμπίεσης μεγαλώσει αρκετά (περισσότερο από 60%) και η απεικόνιση γίνεται μέσω βιντεοπροβολέα σε μεγάλων διαστάσεων οθόνη. Οι εικόνες JPEG δεν είναι κατάλληλες για χρήση σε εκτυπωτικές εργασίες σε τυπογραφείο ή μεγάλων διαστάσεων σχεδιογράφους (plotters) και η χρήση τους σε αυτές τις περιπτώσεις αποφεύγεται.
JPEG2000
Το πρότυπο JPEG2000 αντιπροσωπεύει τις πιο σύγχρονες εξελίξεις στην τεχνολογία συμπίεσης εικόνας και είναι βελτιστοποιημένο όχι μόνο ως προς την απόδοση αλλά και ως προς τη δυνατότητα παροχής κλιμακούμενων υπηρεσιών και διαλειτουργικότητας ανάμεσα σε δικτυακά περιβάλλοντα και mobile εφαρμογές. Με την εκπληκτική εξάπλωση του Internet και την ευρεία χρήση ψηφιακών εικόνων, το JPEG2000 φαντάζει σαν ένα πανίσχυρο εργαλείο στα χέρια των σχεδιαστών και χρηστών δικτυακών εφαρμογών εικόνας.
Το πρότυπο JPEG2000 περιλαμβάνει μια σειρά από εξελιγμένα χαρακτηριστικά που αφορούν πολλές προηγμένες αλλά και αναδυόμενες εφαρμογές, εκμεταλλευόμενο πλήρως τις νέες τεχνολογίες. Αντιμετωπίζει με επιτυχία περιπτώσεις κατά τις οποίες τα σημερινά πρότυπα αποτυγχάνουν να πετύχουν την μέγιστη ποιότητα ή απόδοση και παρέχει νέες δυνατότητες σε αγορές που μέχρι σήμερα δεν χρησιμοποιούσαν τεχνολογία συμπίεσης.
Οι εφαρμογές και αγορές που εξυπηρετούνται καλύτερα από το νέο πρότυπο είναι:
Internet, έγχρωμη τηλεομοιοτυπία, εκτυπώσεις, σαρώσεις, ψηφιακή φωτογραφία, κινητά, ιατρικές
εικόνες, ψηφιακές βιβλιοθήκες και αρχεία, ηλεκτρονικό εμπόριο κ.α.
MJPEG.
Η πρώτη μέθοδος συμπίεσης που χρησιμοποιήθηκε σε τηλεοπτικά σήματα ήταν η Motion JPEG, μια τεχνική επέκταση πις τεχνικής JPEG για τις ακίνητες εικόνες. Πρόκειται για απωλεστική (lossy) συμπίεση, για την υλοποίηση πις οποίας ακολουθούνται διάφορα βήματα. Στην περίπτωση component τηλεοπτικού σήματος η μέθοδος κωδικοποίησης πρέπει να επαναληφθεί σε τρία παράλληλα επίπεδα, δηλαδή για τη φωτεινότητα και τις δύο χρωματοδιαφορές.
Όπως είναι γνωστό κάθε ηλεκτρονικό σήμα μπορεί να αναπαρασταθεί με δύο τρόπους: είτε με βάση τη μεταβολή του στο χρόνο είτε με βάση τη φασματική του σύσταση. Για τις ανάγκες της συμπίεσης επιλέγεται η παράσταση του σήματος ως συνάρτηση του φασματικού του περιεχομένου, γιατί στην μορφή αυτή γίνεται πιο εμφανής η πλεονάζουσα πληροφορία και διευκολύνεται η διαδικασία.
Πριν γίνει ο μετασχηματισμός κάθε πλαίσιο χωρίζεται σε μπλοκ των 8x8 pixels. Το μέγεθος αυτό προσφέρει τα περισσότερα πλεονεκτήματα, αφού επιτρέπει γρήγορη διαδικασία αλλά οδηγεί και σ' ένα αριθμό pixels που συνήθως που συνήθως έχουν ικανοποιητική συσχέτιση μεταξύ τους, δηλαδή πολλά γειτονικά pixels έχουν ίδιες τιμές. Η εφαρμογή απωλεστικών τεχνικών συμπίεσης στο στάδιο αυτό θα επέφερε πολύ περιορισμένη απόδοση, γι' αυτό επιλέγεται το πέρασμα στο πεδίο της συχνότητας όπου παράγεται μεγαλύτερος αριθμός όμοιων όρων. Ιδιαιτέρως αποτελεσματικός στον τομέα αυτόν είναι ο μετασχηματισμός DCT (Discreet Cosine Transform), ο οποίος επί πλέον μπορεί να υλοποιηθεί εύκολα υπό μορφή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
MPEG.
MPEG (Moving Picture Experts Group) είναι η διεθνής επιτροπή που εργάζεται σύμφωνα με τις αρχές των οργανισμών ISO/IEC για την ανάπτυξη διεθνών προτύπων για συμπίεση, αποσυμπίεση, επεξεργασία και κωδικοποίηση ήχου και κινούμενων εικόνων. Τα πρότυπα που έχει παρουσιάσει η ομάδα μέχρι στιγμής είναι τα MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7 και MPEG-21. Ο αλγόριθμος συμπίεσης του MPEG περιέχει στοιχεία και από τη συμπίεση με απώλειες και από τη συμπίεση χωρίς απώλειες και παρουσιάζει αρκετές ομοιότητες με τη συμπίεση JPEG. Η βασική τους διαφορά σχετίζεται με το γεγονός ότι μια ακολουθία εικόνων περιέχει περίσσεια όχι μόνο στο χώρο άλλα και χρονική. Έτσι η σπουδαιότητα ενός συγκεκριμένου εικονοστοιχείου (pixel) μπορεί να προβλεφθεί όχι μόνο από γειτονικά εικονοοτοιχεία που ανήκουν στο ίδιο πλαίσιο(τεχνική κωδικοποίησης intraframe) αλλά και από εικονοοτοιχεία που ανήκουν σε άλλα κοντινά πλαίσια (τεχνική κωδικοποίησης interframe). Για τη μείωση του χρονικού πλεονασμού μεταξύ των πλαισίων (frame), χρησιμοποιείται η πρόβλεψη με αντιστάθμιση κίνησης (Motion Compensated prediction). Βασίζεται στην εκτίμηση της κίνησης ενός εικονοστοιχείου από ένα προηγούμενο κωδικοποιημένο πλαισίου με τη βοήθεια διανυσμάτων κίνησης και εικόνων πρόβλεψης λάθους (prediction error images) που μεταδίδονται στο δέκτη. Λόγω της σημαντικής χωρικής συσχέτισης των διανυσμάτων κίνησης είναι δυνατό η κίνηση ενός τμήματος (block) γειτονικών εικονοστοιχείων να παρασταθεί από ένα αντιπροσωπευτικό διάνυσμα κίνησης.
MPEG-1
Ο αλγόριθμος κινούμενης εικόνας MPEG-1 αναπτύχθηκε βασιζόμενος στις δραστηριότητες της ομάδας JPEG και του προτύπου Η.261. Οι ακολουθίες video MPEG αποτελούνται από διάφορα επίπεδα, τα οποία παρέχουν τη δυνατότητα τηςτυχαίας πρόσβασης στην ακολουθία όπως επίσης και προστασία από λανθασμένες πληροφορίες.
Η βασική τεχνική συμπίεσης MPEG-1 βασίζεται στη δομή των μακροτμημάτων, στην αντιστάθμιση κίνησης και στην υποθετική αντικατάσταση των μακροτμημάτων. Στη διαδικασία αυτή η ακολουθία χωρίζεται σε ομάδες εικόνων, όπου σε κάθε εικόνα διακρίνουμε κάποια τμήματα (blocks). Μια συλλογή τμημάτων δίνει τα μακροτμήματα.
Η ακολουθία αποτελείται από τρία διαφορετικά είδη κωδικοποιημένων εικόνων:
• Intra-coded (l-frames) Κωδικοποιούνται ως διακριτά καρέ χωρίς αναφορά σε κάποιο προηγούμενο ή επόμενο καρέ.
• Predictive-coded (P-frames) Για τα καρέ αυτά εφαρμόζεται αντιστάθμιση κίνησης με αναφορά σε προηγούμενα καρέ.
• Bidirectionally-predictive-coded (B-frames) Για τα καρέ αυτά εφαρμόζεται αντιστάθμιση κίνησης με αναφορά σε προηγούμενα και επόμενα I- ή P-frames.
Το πρώτο καρέ της ακολουθίας κωδικοποιείται σύμφωνα με τη μέθοδο Intra. Στον κωδικοποιητή ο μετασχηματισμός DCT εφαρμόζεται σε κάθε 8x8 τμήμα φωτεινότητας και χρωματικότητας. Στη συνέχεια η έξοδος υφίσταται κβάντιση και τα βάρη που προκύπτουν μεταδίδονται στο λήπτη. Η DC συνιστώσα βάρους απεικονίζει τη μέση ένταση του τμήματος και κωδικοποιείται χρησιμοποιώντας μια διαφορική μέθοδο DC πρόβλεψης. Αντίθετα οι μη μηδενικές τιμές ανιχνεύονται με τη μέθοδο 'zig-zag' και κωδικοποιούνται σύμφωνα με μεθόδους εντροπίας. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να αναφέρουμε ότι τα l-frames έχουν το χειρότερο λόγο συμπίεσης από τις τρεις μορφές, τα P-frames καταλήγουν σε ένα λογικό μέγεθος κωδικοποιημένου καρέ ενώ τα B-frames προσφέρουν το μεγαλύτερο βαθμό συμπίεσης. Οι τρεις αυτές μορφές συνδυάζονται ώστε να δώσουν μια εύκαμπτη ακολουθία που προσαρμόζεται στις ανάγκες της εφαρμογής. Η συμπίεση που τελικά επιτυγχάνεται από το πρότυπο αυτό είναι περίπου 26:1.
MPEG-2
Generic coding of moving pictures and associated audio information. Αναπτύχθηκε για εφαρμογή στην ψηφιακή τηλεόραση.
Η βασική ανάλυση της εικόνας ακολουθεί το τηλεοπτικό πρότυπο CCIR-601 (broadcast quality - ποιότητα εκπομπής) δηλαδή 704x480 pixels (NTSC) ή 704x576 pixels (PAL) και υποστηρίζει εικόνα πλεκτής σάρωσης (interlaced).
Ο ρυθμός μετάδοσης κυμαίνεται από 3 ως 10 Mbits/sec.
Οι εφαρμογές του είναι στην καλωδιακή τηλεόραση (CableTV), στη δορυφορική (Direct Broadcasting Satellite TV) αλλά αναμένεται να επεκταθεί και στην επίγεια τηλεόραση.
Επίσης χρησιμοποιείται στην αποθήκευση κινηματογραφικών ταινιών στα DVD (Digital Video Disk).
To MPEG-3 στόχευε αρχικά σε διάφορες εφαρμογές τηλεόρασης υψηλής ευκρίνειας αλλά αργότερα ενσωματώθηκε στο MPEG-2.
MPEG-4
Η ανάπτυξη των πολυμέσων στο χώρο του διαδικτύου οδήγησε την ομάδα MPEG στην ανάπτυξη αυτού του προτύπου. To MPEG-4 παρέχει μεθόδους συγχρονισμού των δεδομένων πριν τη μετάδοση για την επίτευξη του επιθυμητού QoS και επιτρέπει το διαλογικό χειρισμό της σκηνής στην κονσόλα του δέκτη. Επιτρέπει συνδυασμό των διαφόρων συνιστωσών σε μια πολυμεσική εφαρμογή και υποστηρίζει την κωδικοποίηση αντικειμένων με διαβάθμιση τόσο στο χρόνο όσο και στο χώρο. Σήμερα υπάρχουν τέσσερις εκδόσεις του προτύπου αυτού.
H.261 (Τηλεφωνία με Video)
Πρότυπο για συμπίεση βίντεο με στόχο τη μεταφορά του μέσω γραμμών χαμηλού εύρους ζώνης, όπως για παράδειγμα:
Η.263 (Τηλεδιασκέψεις)
Βασίζεται στο Η.261 αλλά έχει σχεδιαστεί για μετάδοση μέσω του πρωτοκόλλου IP.
Η.264 (MPEG 4 Part 10)
Πρότυπο για υψηλή ποιότητα streaming και video on demand. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και μέσω του πρωτοκόλλου IP (πχ. Internet).
Σχεδιασμένο να συμπιέζει και να αποσυμπιέζει ψηφιακό βίντεο, το Η.264 χρησιμοποιείται για να μειώσει το εύρος ζώνης που απαιτείτε για τη μετάδοση και αποθήκευση βίντεο, προσφέροντας νέες δυνατότητες για μείωση του κόστους και αύξηση της αποτελεσματικότητας.
Σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ανάλυση και υψηλό ρυθμό καρέ (25/30 IPS), όπως στη βιομηχανία
παιχνιδιών,στα αεροδρόμια και στην παρακολούθηση της κυκλοφορίας,το Η.264 κάνουν τη διαφορά και
προσφέρουν μεγάλη εξοικονόμηση μειώνοντας το εύρος ζώνης και τις ανάγκες αποθήκευσης.
To Η.264 αναμένεται να αποτελέσει το κύριο πρότυπο βίντεο στα επόμενα χρόνια καθώς το Η.264 μπορεί να
μειώσει το μέγεθος του εγγεγραμμένου βίντεο κατά περισσότερο από 80% σε σύγκριση με τη μορφή JPEG
κίνησης, κατά 50% σε σύγκριση με το παραδοσιακό πρότυπο MPEG-4 και κατά
30% κατά προσέγγιση σε σύγκριση με τη συμπίεση MPEG-4. |
|
